Вдохновленная структурой мышц, инновационная новая стратегия создания волоконных приводов может привести к прогрессу в робототехнике, протезировании и умной одежде, по словам группы ученых под руководством штата Пенсильвания, открывших этот процесс.

«Приводы — это любой материал, который будет изменяться или деформироваться под любыми внешними раздражителями , как части машины, которые будут сжиматься, изгибаться или расширяться», — сказал Роберт Хики, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. «А для таких технологий, как робототехника, нам нужно разработать мягкие, легкие версии этих материалов, которые могут фактически действовать как искусственные мышцы. Наша работа действительно заключается в поиске нового способа сделать это».

Команда разработала двухэтапный процесс создания волокнистых приводов, имитирующих структуру мышечных волокон и превосходящих другие современные приводы по нескольким параметрам, в том числе по эффективности, напряжению при срабатывании и механическим свойствам . О своих выводах они сообщили сегодня (2 июня) в журнале Nature Nanotechnology.

«Это большая область, и в ней проводится много интересных исследований, но они были действительно сосредоточены на инженерных материалах для оптимизации свойств», — сказал Хики. «Что делает нашу работу интересной, так это то, что мы действительно фокусируемся на связи между химией, структурой и свойствами».

Хики ранее руководил командой, которая производила самособирающиеся наноструктурированные гидрогелевые материалы. Гидрогели представляют собой сети полимеров, которые могут набухать и удерживать большое количество воды, сохраняя при этом свою структуру.

В новом исследовании ученые обнаружили, что волокна, изготовленные из этого гидрогелевого материала, могут растягиваться в несколько раз по сравнению с их первоначальной длиной при гидратации и затвердевании и фиксировать удлиненную форму при сушке в растянутом состоянии. По словам ученых, добавление воды или тепла позволяет материалу вернуться к своему первоначальному размеру, что делает его перспективным для использования в качестве привода.

«Мы начали осознавать, что эти волокна сокращаются и проявляют некоторые действительно удивительные свойства», — сказал Хики. «Когда мы начали характеризовать структуру, мы поняли, что здесь происходит что-то принципиально интересное. И мы начали осознавать, что во многих отношениях структура этих мышц имитирует или отражает естественные мышцы».

По словам ученых, материалы состоят из четко выровненных наноструктур с чередующимися кристаллическими и аморфными областями, напоминающими упорядоченную и поперечно-полосатую структуру скелетных мышц млекопитающих.

Исключительные свойства гидрогелей при растяжении являются результатом сочетания жестких аморфных наноразмерных доменов и пор микрометрового размера, заполненных водой. Когда гидрогели растягиваются, они возвращаются назад, как резиновая лента. Если растянутые волокна высушить в растянутом состоянии, полимерная сетка будет кристаллизоваться, фиксируя вытянутую форму волокон.

«Мы считаем, что одна из фундаментальных причин, по которой мы обладаем этими исключительными свойствами, заключается в том, что волокна очень точно организованы в нанометровом масштабе, подобно саркомеру человеческой мышцы», — сказал Хики. «Происходит то, что у вас есть равномерное сокращение. Все эти аморфные домены организованы точно вдоль волокна, а это означает, что они сокращаются в одном направлении, что дает возможность вернуться в исходное состояние».

Применение воды или тепла к растянутым материалам расплавляет кристаллы и позволяет материалу вернуться в свою первоначальную форму. Ученые заявили, что при растяжении в пять раз по сравнению с первоначальной длиной материал может вернуться в пределах 80% от своего размера и может делать это в течение многих циклов без снижения производительности.

«Тот факт, что мы можем использовать два разных стимула, тепло и воду, чтобы вызвать срабатывание, открывает двойные возможности для материалов, изготовленных с помощью этого метода», — сказал Хики. «Большинство исполнительных механизмов запускаются одним стимулом. Двойные стимулы открывают универсальность наших материалов».